CN109635385B - 一种综合考虑疲劳强度影响因素的零部件寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种综合考虑疲劳强度影响因素的零部件寿命预测方法，涉及疲劳强度设计领域，该方法步骤为：(1)利用有限元方法，对零部件结构进行静力分析，确定其强度薄弱的关键危险点位置；(2)对零部件承受的循环载荷进行仿真，获取危险点处的应力响应历程；(3)计算出应力幅和平均应力作为损伤参量；(4)利用Goodman方程进行平均应力修正；(5)确定综合疲劳强度因子；(6)对零部件疲劳寿命进行预测；(7)利用Miner定理累积材料的疲劳损伤，当材料的疲劳损伤达到1时，零部件失效。本方法利用综合疲劳强度因子综合地考虑尺寸和表面状态对疲劳强度的影响，可以避免确定尺寸系数、表面状态系数的巨大试验量，降低设计成本。

Description

一种综合考虑疲劳强度影响因素的零部件寿命预测方法
技术领域
本发明属于疲劳强度技术领域，尤其涉及一种综合考虑疲劳强度影响因素的零部件寿命预测方法。
背景技术
疲劳是指材料、零件或构件在循环加载下，经过一段时间发生突然脆性断裂的现象。据统计，在机械零件失效中大约有80％以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故。
对承受循环载荷的零件或构件，需要由疲劳强度理论和疲劳试验数据确定其合理的结构和尺寸。疲劳强度设计方法也是现代机械设计方法的一个重要组成部分。疲劳强度由零件的局部应力状态和该处材料的疲劳性能来确定，因此疲劳强度设计是针对零件最弱部位来进行的。通过改进零件的形状，尽量避免过大的应力集中以降低峰值应力，或在最薄弱区域的表面采用强化工艺，使其疲劳强度显著提高。
疲劳强度设计中所用的材料应力-寿命曲线是由标准试验光滑小试样在单轴对称循环载荷下通过疲劳试验获得的。实际工程中的机械零部件在应力集中、尺寸、几何形状、表面状态、残余应力、所承受的载荷类型、所受的载荷频率、服役环境条件等等，对疲劳寿命多少都会有些影响。因此，在实际疲劳强度设计和寿命预测中，必须对这些因素加以考虑，把材料的应力-寿命曲线进行修正，然后才能够进行疲劳强度设计或寿命预测。
现在，仿真分析可以针对具有任意复杂几何形状变形体，完整获取在复杂外力作用下它内部的准确力学信息，利用其结果进行寿命预测可以考虑几何形状对疲劳寿命的影响。此外，还需要考虑尺寸和表面状态对疲劳强度的影响，即利用尺寸系数和表面系数对材料应力-寿命曲线进行修正。然而，尺寸系数和表面系数在工程中不易得到。所以，迫切需要一种可以综合考虑疲劳强度影响因素的零部件寿命预测方法。
发明内容
本发明目的在于针对疲劳强度设计的需求，提出了一种综合考虑疲劳强度影响因素的零部件寿命预测方法。
本发明采用的技术方案为一种综合考虑疲劳强度影响因素的零部件寿命预测方法，本方法的实现步骤如下：
步骤(1)：利用有限元方法，对零部件结构进行静力分析，确定零部件强度薄弱的关键危险点位置；
步骤(2)：对零部件承受的循环载荷进行仿真，获取零部件危险点处的应力响应历程；
步骤(3)：计算出应力幅σa和平均应力σm作为损伤参量，计算公式如下：
σa＝(σmax-σmin)/2
σm＝(σmax+σmin)/2
其中，σa为应力幅，σm为平均应力，σmax为应力响应历程中的最大应力值，σmin为应力响应历程中的最小应力值；
步骤(4)：利用Goodman方程对损伤参量进行平均应力修正，如下：
Figure BDA0001884116900000021
其中，
Figure BDA0001884116900000022
为Goodman修正后的应力幅，σb为抗拉强度；
步骤(5)：如果综合疲劳强度因子Kz已经确定，则按照步骤(6)进行下一步计算；
如果综合疲劳强度因子Kz未确定，则利用测定疲劳极限的台架试验数据确定Kz；
确定综合疲劳强度因子Kz过程如下，首先，利用步骤(2)～(4)对测定疲劳极限的台架试验进行分析，获得该情况下Goodman修正后的应力幅
Figure BDA0001884116900000031
然后，计算综合疲劳强度因子Kz，计算公式如下：
Figure BDA0001884116900000032
其中，Kz为综合疲劳强度因子，N0为测定疲劳极限的台架试验的疲劳寿命，
Figure BDA0001884116900000033
为测定疲劳极限的台架试验的Goodman修正后的应力幅，c和m为材料常数；
步骤(6)：对零部件疲劳寿命进行预测，公式如下：
Figure BDA0001884116900000034
其中，N为疲劳寿命；
步骤(7)：利用Miner定理累积材料的疲劳损伤D，如下：
Figure BDA0001884116900000035
其中，ni为第i级载荷水平下的作用次数，Ni为第i级载荷水平下的疲劳寿命， l为载荷水平的级数；
当材料的疲劳损伤D达到1时，零部件失效。
所述步骤(6)中利用综合疲劳强度因子Kz综合地考虑尺寸和表面状态对疲劳强度的影响。
本发明的优点在于：提出了一种综合考虑疲劳强度影响因素的零部件寿命预测方法。本方法利用提出的综合疲劳强度因子Kz综合地考虑尺寸和表面状态对疲劳强度的影响，而Kz由测定疲劳极限的台架试验数据即可确定，避免了确定尺寸系数、表面状态系数的巨大试验量，简化了设计过程，降低了疲劳设计成本及时间。
附图说明
图1：复杂结构螺旋弹簧的几何形状。
图2：螺旋弹簧的应力分布(位移载荷为86mm)。
图3 ：S1的应力-时间历程(671.75±80.75，13213，断裂)
图4 ：S2的第一阶段应力-时间历程(675±33.5，300000，正常；702±84.5， 8997，断裂)
图5：S2的第二阶段应力-时间历程(675±33.5，300000，正常；702±84.5， 8997，断裂)
具体实施方式
结合附图说明本发明。
通过对循环加载的复杂结构螺旋弹簧进行寿命预测，对本发明作进一步说明。
该螺旋弹簧的几何形状如图1所示，材料为60Si2CrVA。
螺旋弹簧的台架疲劳试验的加载参数及疲劳寿命见表1。
表1台架疲劳试验的加载参数及疲劳寿命
Figure BDA0001884116900000041
一种综合考虑疲劳强度影响因素的零部件寿命预测方法，其特征在于：本方法的实现步骤如下：
步骤(1)：利用有限元方法，对零部件结构进行静力分析，确定零部件强度薄弱的关键危险点位置；
对螺旋弹簧施加86mm的压缩位移载荷，其应力分布如图2所示。从图中可以看出，除了工作中被压实的部分(不用考虑疲劳问题)，应力最大位置在弹簧丝径变化部分和规律部分交界处的弹簧丝内侧，所以该处为螺旋弹簧强度薄弱的关键危险点位置。
步骤(2)：对零部件承受的循环载荷进行仿真，获取零部件危险点处的应力响应历程；
按照表1中的试验行程，分别对螺旋弹簧施加循环位移载荷，并提取关键危险点处的应力响应历程；
S1的应力响应历程如图3所示，S2第一阶段加载的应力响应历程如图4 所示，第二阶段加载的应力响应历程如图5所示。
步骤(3)：计算出应力幅σa和平均应力σm作为损伤参量，计算公式如下：
σa＝(σmax-σmin)/2
σm＝(σmax+σmin)/2
其中，σa为应力幅，σm为平均应力，σmax为应力响应历程中的最大应力值，σmin为应力响应历程中的最小应力值；
S1的应力幅σa为474MPa，平均应力σm为633MPa；S2第一阶段加载的应力幅σa为244MPa，平均应力σm为786MPa；S2第二阶段加载的应力幅σa为535MPa，平均应力σm为547MPa。
步骤(4)：利用Goodman方程对损伤参量进行平均应力修正，如下：
Figure BDA0001884116900000061
其中，
Figure BDA0001884116900000062
为Goodman修正后的应力幅，σb为抗拉强度；
该弹簧材料的抗拉强度σb＝1862MPa；
S1的Goodman修正后的应力幅
Figure BDA0001884116900000063
为719MPa，S2第一阶段加载的
Figure BDA0001884116900000064
为 422MPa，第二阶段加载的
Figure BDA0001884116900000065
为758MPa；
步骤(5)：如果综合疲劳强度因子Kz已经确定，则按照步骤(6)进行下一步计算；
如果综合疲劳强度因子Kz未确定，则利用测定疲劳极限的台架试验数据确定Kz；
本次利用S1台架试验数据确定综合疲劳强度因子Kz。
确定综合疲劳强度因子Kz过程如下，首先，利用步骤(2)～(4)对测定疲劳极限的台架试验进行分析，获得该情况下Goodman修正后的应力幅
Figure BDA0001884116900000066
S1的Goodman修正后的应力幅
Figure BDA0001884116900000067
然后，计算综合疲劳强度因子Kz，计算公式如下：
Figure BDA0001884116900000068
其中，Kz为综合疲劳强度因子，N0为测定疲劳极限的台架试验的疲劳寿命，
Figure BDA0001884116900000069
为测定疲劳极限的台架试验的Goodman修正后的应力幅，c和m为材料常数；
该弹簧的材料常数c为4.0738×1028，m为8.1748；
将S1的
Figure BDA00018841169000000610
和N0＝13213带入上式，可得：
Figure BDA0001884116900000071
步骤(6)：对零部件疲劳寿命进行预测，公式如下：
Figure BDA0001884116900000072
其中，N为疲劳寿命；
对S2的疲劳寿命进行预测，将S2第一阶段加载的
Figure BDA0001884116900000073
带入得 S2第一阶段加载疲劳寿命N1＝1021792；将S2第一阶段加载的
Figure BDA0001884116900000074
Figure BDA0001884116900000075
带入得S2第一阶段加载疲劳寿命N2＝8564。
步骤(7)：利用Miner定理累积材料的疲劳损伤D，如下：
Figure BDA0001884116900000076
其中，ni为第i级载荷水平下的作用次数，Ni为第i级载荷水平下的疲劳寿命， l为载荷水平的级数；
当材料的疲劳损伤D达到1时，零部件失效。
对于S2，载荷水平的级数l＝2，则材料的疲劳损伤D可由下式计算：
Figure BDA0001884116900000077
零部件失效时，材料的疲劳损伤D＝1，则：
Figure BDA0001884116900000078
即：
Figure BDA0001884116900000079
所以，利用本方法预测得到S2在第二阶段可加载6050周，实际寿命为8997周，预测误差在2倍因子以内。
本发明提供了一种综合考虑疲劳强度影响因素的零部件寿命预测方法，涉及疲劳强度设计领域，该方法步骤为：(1)利用有限元方法，对零部件结构进行静力分析，确定其强度薄弱的关键危险点位置；(2)对零部件承受的循环载荷进行仿真，获取危险点处的应力响应历程；(3)计算出应力幅和平均应力作为损伤参量；(4)利用Goodman方程进行平均应力修正；(5)确定综合疲劳强度因子；(6)对零部件疲劳寿命进行预测；(7)利用Miner定理累积材料的疲劳损伤，当材料的疲劳损伤达到1时，零部件失效。本方法利用综合疲劳强度因子综合地考虑尺寸和表面状态对疲劳强度的影响，可以避免确定尺寸系数、表面状态系数的巨大试验量，降低设计成本。

Claims (2)

1.一种综合考虑疲劳强度影响因素的零部件寿命预测方法，其特征在于：本方法的实现步骤如下，
步骤(1)：利用有限元方法，对零部件结构进行静力分析，确定零部件强度薄弱的关键危险点位置；
步骤(2)：对零部件承受的循环载荷进行仿真，获取零部件危险点处的应力响应历程；
步骤(3)：计算出应力幅σa和平均应力σm作为损伤参量，计算公式如下：
σa＝(σmax-σmin)/2
σm＝(σmax+σmin)/2
其中，σa为应力幅，σm为平均应力，σmax为应力响应历程中的最大应力值，σmin为应力响应历程中的最小应力值；
步骤(4)：利用Goodman方程对损伤参量进行平均应力修正，如下：
Figure FDA0001884116890000011
其中，
Figure FDA0001884116890000012
为Goodman修正后的应力幅，σb为抗拉强度；
步骤(5)：如果综合疲劳强度因子Kz已经确定，则按照步骤(6)进行下一步计算；
如果综合疲劳强度因子Kz未确定，则利用测定疲劳极限的台架试验数据确定Kz；
确定综合疲劳强度因子Kz过程如下，首先，利用步骤(2)～(4)对测定疲劳极限的台架试验进行分析，获得该情况下Goodman修正后的应力幅
Figure FDA0001884116890000013
然后，计算综合疲劳强度因子Kz，计算公式如下：
Figure FDA0001884116890000014
其中，Kz为综合疲劳强度因子，N0为测定疲劳极限的台架试验的疲劳寿命，
Figure FDA0001884116890000021
为测定疲劳极限的台架试验的Goodman修正后的应力幅，c和m为材料常数；
步骤(6)：对零部件疲劳寿命进行预测，公式如下：
Figure FDA0001884116890000022
其中，N为疲劳寿命；
步骤(7)：利用Miner定理累积材料的疲劳损伤D，如下：
Figure FDA0001884116890000023
其中，ni为第i级载荷水平下的作用次数，Ni为第i级载荷水平下的疲劳寿命，l为载荷水平的级数；
当材料的疲劳损伤D达到1时，零部件失效。
2.根据权利要求1所述的一种综合考虑疲劳强度影响因素的零部件寿命预测方法，其特征在于：所述步骤(6)中利用综合疲劳强度因子Kz综合地考虑尺寸和表面状态对疲劳强度的影响。
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